2.云南电力技术有限责任公司，云南 昆明650051
摘要：对雷击引起的220kV电网系统发生多点接地复杂故障进行了阐述，分别对母线保护及线路光纤差动保护动作跳闸原因进行了分析，利用PSCAD对故障进行了仿真并复现故障波形，验证了故障过程及保护动作时序的正确性。
关键词：220kV电网 复杂故障 PSCAD 仿真
1 前言
220kV电网系统分布广泛，是支撑电力系统的中坚力量。常见的220kV电网故障类型包括单相接地、两相短路、两相接地短路及三相短路故障，其中单相接地及雷击引起的220kV电网故障跳闸占极大比例[1]。对于单一类型、单一位置发生的故障，设备配置的的继电保护主保护均能快速、准确跳闸，隔离故障，保护动作逻辑清晰明了，断路器正确执行跳闸命令。而对于复杂故障，是指网络中有两处或两处以上同时发生不对称故障的情况[2]。对于简单故障分析处理的基本方法是：从故障口把网络同故障支路隔开，把发生故障考虑为在故障口向网络注入了故障电流的各序分量，然后独立求解各序网络故障口的电压方程和边界条件方程一得到故障口电流的各序分量，最后计算网络中的电流和电压分布。这种方法也完全适用于对复杂故障的分析计算[3][4]。
2 复杂故障情况
2.1 电网运行方式
该220kV电网系统包括一个变电站S及两个水电站H1、H2，线路L1为变电站S与水电站H1之间联络线，长度为65km。线路L2为变电站S与水电站H2之间联络线，长度为55km。其中从变电站S侧出口的线路L1与L2同塔双回线长度为30km。水电站H1共有3台发电机G1～G3，分别经3台升压变T1～T3接至220kV母线。其中3号主变中性点直接接地运行，1、2号主变中性点经间隙接地。系统一次接线如图1。
2.2 故障及保护动作情况
2.2.1 故障情况
水电站H1故障情况：故障发生时刻18时06分00秒，雷击导致220kV母线GIS母线气室C相绝缘子损坏，母线管内壁有放电痕迹和瓷瓶碎片（见图2(a)）。220kV线路L1靠 H1侧251断路器、220kV1、2、3号主变高压侧201、202、203断路器跳闸，2号机组甩负荷停机，1、3号机组甩负荷带主变空载。1、2号主变中性点放电间隙有击穿痕迹，见图2(b)。
变电站S故障情况：220kV线路L1在62号铁塔（距S变电站侧约30公里处）C相绝缘子有放电痕迹。18时06分00秒 934ms，S变电站侧2832、2833断路器跳闸。
2.2.2 保护动作情况
3 故障分析
3.1 故障波形分析
3.1.1 母线保护波形
查看故障录波装置220kV母线保护动作波形（图3），故障时母线保护C相差流1.133A，大于整定值0.5A，220kV母线保护正确动作，跳开220kV母线上所有断路器。从图中可以看出，1、2、3号主变C相电流波形相位与复制一致，且与线路L1的C相电流相位相反，说明母线发生区内故障，保护动作正确。
3.1.2 水电站H1侧线路保护波形
查看故障录波装置220kV线路水电站H1侧保护动作波形（图4），故障前三相负荷电流约为0.7A（CT变比1000/1），故障发生后，A相电流增大为1.8A，B相电流仍然为0.7A，C相电流增大为2.3A。在母线差动保护动作后，H1侧251断路器跳开，但是经过43ms后，220kV线路C相光纤差动保护动作。
3.1.3 变电站S侧线路保护波形
查看故障录波装置220kV线路变电站S侧保护动作波形（图5），故障前三相负荷电流约为0.47A（CT变比1500/1），故障发生后，A相电流增大为1.12A，B相电流为0.48A，C相电流增大为3.66A。故障发生经43ms后，A、B相电流消失，C相电流继续增大为4.57A。又经20ms后，线路主一、主二保护C相光纤差动动作，断路器跳闸，故障电流消失。
3.2 保护动作分析
由上述波形分析可知，H1侧220kV母线发生C相接地故障，属于母线保护区内故障，双套母线差动保护动作。但是L1线路C相同时存在接地故障，即系统中同相别存在两点接地故障。从H1侧线路故障电流方向可以判断出在线路和母线同时发生C相接地故障时，短路电流仍然由线路流向母线，穿越故障电流不会导致线路光纤差动动作。此时母线保护快速动作，跳开母线上所有断路器，切除H1侧短路电流。此时线路故障仍然存在，水电站H1侧的251断路器处于分位，分闸位置开放对侧光差保护，故经过43ms后两侧的光纤差动保护动作，跳开变电站S侧的断路器，所有故障切除。保护动作逻辑及时序如图6。
3.3 故障分量分析
对220kV线路L1故障电流进行分析，发生C相接地故障，但是A相电流也伴随增大（见图4），这主要由系统中零序分配系数与正序分配系数不相等，在非故障相中也存在故障分量。当故障分量与系统负荷电流大小接近时，负荷电流不能再被忽略，继电保护装置采集的故障电流实际是负荷电流与故障分量的叠加。当故障分量的相位与负荷电流相位方向一致时，二者叠加导致总的故障时刻电流增大；反之导致故障时刻电流减小或者不变。对于同一相别不同位置发生的复杂故障，可以分别运用故障分量叠加原理，分析各故障点的故障分量情况，最后进行向量叠加，分析各相故障电流变化情况[5]。对于本次故障，A相电流增加，B相电流基本不变，C相电流增大，可以直观的从其故障分量与负荷电流情况看出（见图7）。
4 仿真验证
为验证本次220kV系统中C相同时发生于线路与母线两点接地复杂故障，且故障电流为穿越性，由系统变电站S侧流向水电站H1侧220kV母线，利用PSCAD建立系统模型，系统参数及线路参数均采用实际值，各值见表1。
仿真模拟C相接地故障发生时刻为0.495s，水电站H1侧线路断路器0.535s跳闸。仿真结果如图7（b）所示，线路L1故障电流波形与实际故障电流波形基本一致，表明系统中确实在线路与母线处同时发生了C相接地故障。
5 结束语
对于电力系统简单故障，继电保护装置动作信息明了，结合故障波形对故障分析较为容易。当区域性电网发生复杂故障，继电保护动作的先后顺序及动作逻辑变得交错复杂，需要结合故障波形，保护动作时序，断路器跳闸事件等各环节综合分析。利用电磁暂态仿真软件建模，复现实际故障波形，更加有利于支撑故障分析及定位。
参考文献：
[1] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用(第2 版)[M].北京:中国电力出版社,2002.
[2] 中国南方电网电力调度通信中心.地区电网继电保护整定计算[M].广州:中国电力出版社,2010.
[3] 刘之尧. 地区电网继电保护整定计算[M]. 中国电力出版社, 2010.
[4]盘昱兵. 110kV电网故障分析和继电保护整定计算分析[J]. 山东工业技术, 2018(1):158-158.
[5]李波, 莫杰锋, 伍红文,等. 带地方小水电的局部电网故障分析与仿真研究[J]. 电气技术, 2018, 19(4):1-4
论文作者:郑志勇1,,刘奔2,, 关静恩2,, 李紫龙2
论文发表刊物:《中国电业》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/29
标签：故障论文; 母线论文; 电流论文; 波形论文; 动作论文; 线路论文; 断路器论文; 《中国电业》2019年第11期论文;